Electronic couplings and on-site energies for hole transfer in DNA: systematic quantum mechanical/molecular dynamic study

The electron hole transfer (HT) properties of DNA are substantially affected by thermal fluctuations of the π stack structure. Depending on the mutual position of neighboring nucleobases, electronic coupling V may change by several orders of magnitude. In the present paper, we report the results of systematic QM/molecular dynamic (MD) calculations of the electronic couplings and on-site energies for the hole transfer. Based on 15 ns MD trajectories for several DNA oligomers, we calculate the average coupling squares 〈 V2 〉 and the energies of basepair triplets X G+ Y and X A+ Y, where X, Y=G, A, T, and C. For each of the 32 systems, 15 000 conformations separated by 1 ps are considered. The three-state generalized Mulliken-Hush method is used to derive electronic couplings for HT between neighboring basepairs. The adiabatic energies and dipole moment matrix elements are computed within the INDO/S method. We compare the rms values of V with the couplings estimated for the idealized B -DNA structure and show that in several important cases the couplings calculated for the idealized B -DNA structure are considerably underestimated. The rms values for intrastrand couplings G-G, A-A, G-A, and A-G are found to be similar, ∼0.07 eV, while the interstrand couplings are quite different. The energies of hole states G+ and A+ in the stack depend on the nature of the neighboring pairs. The X G+ Y are by 0.5 eV more stable than X A+ Y. The thermal fluctuations of the DNA structure facilitate the HT process from guanine to adenine. The tabulated couplings and on-site energies can be used as reference parameters in theoretical and computational studies of HT processes in DNA

Estimates of electronic coupling for excess electron transfer in DNA

Electronic coupling Vda is one of the key parameters that determine the rate of charge transfer through DNA. While there have been several computational studies of Vda for hole transfer, estimates of electronic couplings for excess electron transfer (ET) in DNA remain unavailable. In the paper, an efficient strategy is established for calculating the ET matrix elements between base pairs in a π stack. Two approaches are considered. First, we employ the diabatic-state (DS) method in which donor and acceptor are represented with radical anions of the canonical base pairs adenine-thymine (AT) and guanine-cytosine (GC). In this approach, similar values of Vda are obtained with the standard 6-31 G* and extended 6-31++ G* basis sets. Second, the electronic couplings are derived from lowest unoccupied molecular orbitals (LUMOs) of neutral systems by using the generalized Mulliken-Hush or fragment charge methods. Because the radical-anion states of AT and GC are well reproduced by LUMOs of the neutral base pairs calculated without diffuse functions, the estimated values of Vda are in good agreement with the couplings obtained for radical-anion states using the DS method. However, when the calculation of a neutral stack is carried out with diffuse functions, LUMOs of the system exhibit the dipole-bound character and cannot be used for estimating electronic couplings. Our calculations suggest that the ET matrix elements Vda for models containing intrastrand thymine and cytosine bases are essentially larger than the couplings in complexes with interstrand pyrimidine bases. The matrix elements for excess electron transfer are found to be considerably smaller than the corresponding values for hole transfer and to be very responsive to structural changes in a DNA stack

Charge transfer in DNA: hole charge is confined to a single base pair due to solvation effects

We include solvation effects in tight-binding Hamiltonians for hole states in DNA. The corresponding linear-response parameters are derived from accurate estimates of solvation energy calculated for several hole charge distributions in DNA stacks. Two models are considered: (A) the correction to a diagonal Hamiltonian matrix element depends only on the charge localized on the corresponding site and (B) in addition to this term, the reaction field due to adjacent base pairs is accounted for. We show that both schemes give very similar results. The effects of the polar medium on the hole distribution in DNA are studied. We conclude that the effects of polar surroundings essentially suppress charge delocalization in DNA, and hole states in (GC)n sequences are localized on individual guanines

Control and optimization of an SBR for nitrogen removal: from model calibration to plant operation

En aquesta tesis s'ha desenvolupat un sistema de control capaç d'optimitzar el funcionament dels Reactors Discontinus Seqüencials dins el camp de l'eliminació de matèria orgànica i nitrogen de les aigües residuals. El sistema de control permet ajustar en línia la durada de les etapes de reacció a partir de mesures directes o indirectes de sondes. En una primera etapa de la tesis s'ha estudiat la calibració de models matemàtics que permeten realitzar fàcilment provatures de diferents estratègies de control. A partir de l'anàlisis de dades històriques s'han plantejat diferents opcions per controlar l'SBR i les més convenients s'han provat mitjançant simulació. Després d'assegurar l'èxit de l'estratègia de control mitjançant simulacions s'ha implementat en una planta semi-industrial. Finalment es planteja l'estructura d'uns sistema supervisor encarregat de controlar el funcionament de l'SBR no només a nivell de fases sinó també a nivell cicle.

UV index measurement and model agreement: uncertainties and limitations

En les últimes dècades, l'increment dels nivells de radiació solar ultraviolada (UVR) que arriba a la Terra (principalment degut a la disminució d'ozó estratosfèric) juntament amb l'augment detectat en malalties relacionades amb l'exposició a la UVR, ha portat a un gran volum d'investigacions sobre la radiació solar en aquesta banda i els seus efectes en els humans. L'índex ultraviolat (UVI), que ha estat adoptat internacionalment, va ser definit amb el propòsit d'informar al públic general sobre els riscos d'exposar el cos nu a la UVR i per tal d'enviar missatges preventius. L'UVI es va definir inicialment com el valor màxim diari. No obstant, el seu ús actual s'ha ampliat i té sentit referir-se a un valor instantani o a una evolució diària del valor d'UVI mesurat, modelitzat o predit. El valor concret d'UVI està afectat per la geometria Sol-Terra, els núvols, l'ozó, els aerosols, l'altitud i l'albedo superficial. Les mesures d'UVI d'alta qualitat són essencials com a referència i per estudiar tendències a llarg termini; es necessiten també tècniques acurades de modelització per tal d'entendre els factors que afecten la UVR, per predir l'UVI i com a control de qualitat de les mesures. És d'esperar que les mesures més acurades d'UVI s'obtinguin amb espectroradiòmetres. No obstant, com que els costs d'aquests dispositius són elevats, és més habitual trobar dades d'UVI de radiòmetres eritemàtics (de fet, la majoria de les xarxes d'UVI estan equipades amb aquest tipus de sensors). Els millors resultats en modelització s'obtenen amb models de transferència radiativa de dispersió múltiple quan es coneix bé la informació d'entrada. No obstant, habitualment no es coneix informació d'entrada, com per exemple les propietats òptiques dels aerosols, la qual cosa pot portar a importants incerteses en la modelització. Sovint, s'utilitzen models més simples per aplicacions com ara la predicció d'UVI o l'elaboració de mapes d'UVI, ja que aquests són més ràpids i requereixen menys paràmetres d'entrada. Tenint en compte aquest marc de treball, l'objectiu general d'aquest estudi és analitzar l'acord al qual es pot arribar entre la mesura i la modelització d'UVI per condicions de cel sense núvols. D'aquesta manera, en aquest estudi es presenten comparacions model-mesura per diferents tècniques de modelització, diferents opcions d'entrada i per mesures d'UVI tant de radiòmetres eritemàtics com d'espectroradiòmeters. Com a conclusió general, es pot afirmar que la comparació model-mesura és molt útil per detectar limitacions i estimar incerteses tant en les modelitzacions com en les mesures. Pel que fa a la modelització, les principals limitacions que s'han trobat és la falta de coneixement de la informació d'aerosols considerada com a entrada dels models. També, s'han trobat importants diferències entre l'ozó mesurat des de satèl·lit i des de la superfície terrestre, la qual cosa pot portar a diferències importants en l'UVI modelitzat. PTUV, una nova i simple parametrització pel càlcul ràpid d'UVI per condicions de cel serens, ha estat desenvolupada en base a càlculs de transferència radiativa. La parametrització mostra una bona execució tant respecte el model base com en comparació amb diverses mesures d'UVI. PTUV ha demostrat la seva utilitat per aplicacions particulars com ara l'estudi de l'evolució anual de l'UVI per un cert lloc (Girona) i la composició de mapes d'alta resolució de valors d'UVI típics per un territori concret (Catalunya). En relació a les mesures, es constata que és molt important saber la resposta espectral dels radiòmetres eritemàtics per tal d'evitar grans incerteses a la mesura d'UVI. Aquest instruments, si estan ben caracteritzats, mostren una bona comparació amb els espectroradiòmetres d'alta qualitat en la mesura d'UVI. Les qüestions més importants respecte les mesures són la calibració i estabilitat a llarg termini. També, s'ha observat un efecte de temperatura en el PTFE, un material utilitzat en els difusors en alguns instruments, cosa que potencialment podria tenir implicacions importants en el camp experimental. Finalment, i pel que fa a les comparacions model-mesura, el millor acord s'ha trobat quan es consideren mesures d'UVI d'espectroradiòmetres d'alta qualitat i s'usen models de transferència radiativa que consideren les millors dades disponibles pel que fa als paràmetres òptics d'ozó i aerosols i els seus canvis en el temps. D'aquesta manera, l'acord pot ser tan alt dins un 0.1º% en UVI, i típicament entre menys d'un 3%. Aquest acord es veu altament deteriorat si s'ignora la informació d'aerosols i depèn de manera important del valor d'albedo de dispersió simple dels aerosols. Altres dades d'entrada del model, com ara l'albedo superficial i els perfils d'ozó i temperatura introdueixen una incertesa menor en els resultats de modelització.